光學(xué)薄膜應(yīng)用及實(shí)例分析
光學(xué)薄膜是利用薄膜對(duì)光的作用而工作的一種功能薄膜,光學(xué)薄膜在改變光強(qiáng)方面可以實(shí)現(xiàn)分光透射、分光反射、分光吸收以及光的減反、增反、分束、高通、低通、窄帶濾波等功能。
在可見光區(qū)使用得最普遍的是折射率為1.52 左右的冕脾玻璃。理想的增透膜的折射率為1.23,但是至今能利用的薄膜的最低折射率是1.38( 氯化鎂)。這雖然不很理想但也得到了相當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。當(dāng)ns=1.52,nf=1.38,n0=1.0 時(shí),由式(3)可得最低反射率為1.3%,即鍍單層氟化鎂后中心波長(zhǎng)的反射率從4.2%降至 l.3%左右,整個(gè)可見光區(qū)平均反射率約為1.5%。顯然,愈是接近于滿足式(4)的條件的玻璃,中心波長(zhǎng)增透效果愈顯著。以可見光的中心波長(zhǎng)為550nm 設(shè)計(jì)的時(shí)候,那么對(duì)于紫光波段和紅光波段的光波長(zhǎng),光學(xué)厚度不是四份之一波長(zhǎng),也就偏離了反射抵消的條件,會(huì)有略高的反射。 2.分光膜 把一束光分為兩部分的器件稱為分光鏡。分光鏡的工作部分一般是一個(gè)鍍過膜的平面,它在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有特定的反射率和透射率。通常這個(gè)平面是傾斜的,因此入射光和反射光便分離開來。分光鏡的預(yù)定反射率和透射率值隨其用途不同而相異。 對(duì)于不同的分光鏡往往有不同的透射率和反射率比T/R,即分光比。最常用的是中性分光鏡,T/R=50/50,它把一束光分成光譜成分相同的兩束光。因?yàn)樗谀巢ㄩL(zhǎng)區(qū)域內(nèi)對(duì)各波長(zhǎng)具有相同的透射率和反射率比,因而反射光和透射光不帶有顏色,呈中性。常用的中性分光鏡有兩種結(jié)構(gòu):一種是在透明的平板基片上鍍上分光膜,另一種是把膜層鍍?cè)趦蓚(gè)直角棱鏡上,再膜面對(duì)膜面地膠合成立方體。常用的有金屬分光鏡和介質(zhì)分光鏡兩類。金屬膜分光鏡分光的光譜寬度較寬,缺點(diǎn)是吸收損失較大,分光效率較低,介質(zhì)分光鏡的特點(diǎn)是分光效率高,偏振效應(yīng)明顯,分光特性色散明顯。介質(zhì)膜分光鏡與金屬膜分光鏡相比,因?yàn)榻橘|(zhì)膜的吸收小到可以忽略的程度,所以分光效率高,這是介質(zhì)分光鏡的優(yōu)點(diǎn),但是介質(zhì)膜的特性對(duì)波長(zhǎng)較敏感,給中性分光帶來困難。同時(shí),一般介質(zhì)膜分光鏡的偏振效應(yīng)較大,這也是它的不足之處。 3.反射膜 反射膜是用于把入射光能量大部分或幾乎全部反射的光學(xué)元件。在有些光學(xué)系統(tǒng)中,要求光學(xué)元件具有較高的反射本領(lǐng),例如,激光器的反射鏡要求對(duì)某種頻率的單色光的反射率在90%以上。為了增強(qiáng)反射能量,常在玻璃表面鍍一層高反射率的透明薄膜,利用其上下表面反射光的光程差滿足干涉相長(zhǎng)的條件,使反射光增強(qiáng)。 金屬膜有很高的反射率,吸收率也較高,而介質(zhì)膜的不但反射率可以較高,還有較小的吸收率。 鋁是唯一從紫外到紅外(0.2~30μm)具有很高反射率的材料。大約在波長(zhǎng)0.85μm 處反射率出現(xiàn)一極小值,其值為86%。鋁膜對(duì)基板的附著力比較強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性也比較好,所以廣泛用作反射膜。新沉積的鋁膜暴露于常溫大氣后,表面立即形成一層非晶的高透明的Al2O3 膜,短時(shí)間內(nèi)氧化物迅速生長(zhǎng)到15~20.,然后緩慢生長(zhǎng),一個(gè)月后達(dá)到50 左右。對(duì)緩慢蒸發(fā)的鋁膜,氧化物的厚度可以達(dá)到90. 以上。氧化物的存在使鋁膜的反射率下降,特別是波長(zhǎng)小于200nm 的區(qū)域,為此要用MgF2膜作保護(hù)層。在可見光區(qū),通常用SiO 作為初始材料,蒸發(fā)得到硅的氧化物薄膜作為Al 膜的保護(hù)膜。最佳的制備鋁膜的條件:高純鋁(99.99%);高真空中快速蒸發(fā)(50~100nm/s);基板溫度低于50℃。 在可見光及紅外波段內(nèi),銀膜的反射率是所有已知材料中最高的。在可見光區(qū)和紅外區(qū),反射率分別達(dá)到95%和99%左右。但是,銀膜的附著力差,機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性差,所以主要用于短期使用的零件。銀膜在紫外區(qū)的反射率很低,在波長(zhǎng)400nm 開始下降,到320nm 附近降到4%左右。當(dāng)銀膜暴露于空氣中時(shí)反射率會(huì)逐漸降低,主要原因是表面形成的氧化銀(AgO、Ag2O3)和硫化銀,因此要在銀膜上鍍保護(hù)膜。最佳的制備工藝與鋁的相似,即高真空、快速蒸發(fā)、低的基板溫度。 降低薄膜反射率的一個(gè)重要因素是散射。造成散射損耗的原因是多種多樣的,薄膜的成核和生長(zhǎng)機(jī)理引起膜層微觀結(jié)構(gòu)的不均勻,從而會(huì)產(chǎn)生散射,借助于電子顯微鏡觀察多層膜斷面的微觀結(jié)構(gòu),其呈現(xiàn)非常明顯的柱狀,膜層內(nèi)部充滿空隙,而面變得凹凸不平。此外,基片表面的粗糙度及其缺陷,還有蒸發(fā)源噴濺的粒子、膜層中的微塵、裂紋和針孔等因素相互交叉構(gòu)成復(fù)雜的散射模型。總的來說我們可以把散射歸結(jié)為二類,即體積散射和表面散射。 4.干涉截止濾光片 要求某一波長(zhǎng)范圍的光束高透射,而偏離這一波長(zhǎng)的光束驟然變化為高反射(或稱抑制)的干涉截止濾光片有著廣泛的應(yīng)用。我們把抑制短波區(qū)、透射長(zhǎng)波區(qū)的濾光片稱為長(zhǎng)波通濾光片。相反,抑制長(zhǎng)波區(qū)、透射短波區(qū)的截止濾光片就稱為短波通濾光片。 大多數(shù)情況下,是希望截止短于某一特定波長(zhǎng),或者長(zhǎng)于該波長(zhǎng)的所有光線。通常的辦法是使干涉濾光片同吸收濾光片相組合。它既可以用作截止長(zhǎng)波的短波通濾光片,也可以用作截止短波的長(zhǎng)波通濾光片。只要改變監(jiān)控膜層厚度的波長(zhǎng),截止限的位置可以隨意移動(dòng)。 |
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